CN113234772B - 一种杨木酶解生产葡萄糖的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种杨木酶解生产葡萄糖的方法，首先利用金属氯化物AlCl3或CrCl3对杨木在特定的条件下进行预处理，再向预处理的残渣中加入纤维素酶和表面活性剂进行酶解，通过添加表面活性剂辅助金属氯化物预处理提高杨木酶解效率和葡萄糖得率，减少酶用量，缩短了酶解时间，在酶用量为17.5～20FPU/g杨木预处理残渣下，酶解24h的葡萄糖得率可高达86.94％，有效提升经济效益。

Description

一种杨木酶解生产葡萄糖的方法
技术领域
本发明属于生物质预处理技术领域，更具体地，涉及一种杨木酶解生产葡萄糖的方法。
背景技术
随着时代的发展，能源和环境问题逐渐突出，生物质能源作为一种新兴可再生资源得到越来越多人关注，其中木质纤维素因其来源广泛，储量丰富且不可食用而被认为是良好的制备生物燃料的原料，木质纤维类生物质制备液体燃料的方法是把该原料中的半纤维素、纤维素水解成木糖、葡萄糖等单糖，通过发酵生产乙醇。
杨木生长速度快，生长周期短，环境适应性强，种植面积十分广泛，资源丰富，是生产生物能源和生物质化学品的重要原料，生物转化杨木制备生物能源与化学品具有较大潜力。而由于杨木抗木质素含量高，在木质纤维素的利用过程中，因木质纤维素自身复杂的结构特征，使得杨木降解屏障强，木质纤维素难以被有效酶解，因此，酶解前的预处理是提高杨木酶水解效率的关键步骤。
预处理通过一定的方式去除木质素并降解半纤维素，引起木质纤维素化学成分的改变，增加酶与纤维素的接触面积，进而提高酶解效率，目前对杨木制备生物燃料过程中常见预处理方法有酸预处理、碱预处理、离子液体预处理和有机溶剂预处理。如专利CN201910212819.7提供了一种利用添加β-葡萄糖苷酶提高乙酸双氧水预处理后杨木的酶水解效率的方法，但该方法仍然存在酶解时间长，酶解时间为72小时，每克干物质添加的酶剂量为20FPU纤维素酶和额外500nkat～1000nkat的β-葡萄糖苷酶，酶用量大，成本高，因此，亟需开发一种能降低经济成本、提高杨木酶解效率的方法。
发明内容
本发明针对目前杨木制备生物能源的酶解过程中酶解时间长，纤维素酶用量大的问题，旨在提供一种通过表面活性剂辅助金属氯化物预处理提高杨木酶解效率的方法，通过特定的杨木预处理方式，再添加特定的表面活性剂辅助杨木酶解，在减少酶用量和缩短酶解时间的前提下，还可有效提高酶解效率，提高葡萄糖得率。
本发明的首要目的是提供一种杨木酶解生产葡萄糖的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种杨木酶解生产葡萄糖的方法，包括以下步骤：
S1.杨木预处理：取杨木按固液比为1：8～15与水混合，加入0.03～0.15mol/L水的量加入金属氯化物，在160℃～180℃下进行预处理反应，反应产物洗涤至中性，分离得到杨木预处理残渣；
S2.酶解：取杨木预处理残渣，加入pH＝4.5～5.0的缓冲溶液、纤维素酶以及表面活性剂，进行酶解；
其中，所述金属氯化物包括AlCl3或CrCl3；步骤S2所述杨木预处理残渣、缓冲溶液、表面活性剂的质量比为1g：50mL：0.1～0.4g。
本发明上述方法中，对杨木的预处理采用金属氯化物AlCl3和CrCl3，采用路易斯酸预处理将半纤维素降解为木糖，去除木质素，进而促进后续酶解过程；缓冲溶液可以维持酶所需要的正常pH值，大大降低pH值变动，防止pH值发生大幅变动而导致的酶活下降或丧失；添加表面活性剂可以增加纤维素的可达表面积，且对木质素的化学组成影响较小，可以吸附到木质素中，防止酶的非生产性吸附，进而提高葡萄糖得率。
在其中一些优选实施例中，步骤S1所述杨木与水的固液比为1：10，见实施例1～12。
在其中一些优选实施例中，所述纤维素酶的添加量为17.5～20FPU/g杨木预处理残渣，见实施例1～12。
在其中一些优选实施例中，步骤S1所述预处理反应为在200～300rpm转速下反应10～30min，见实施例1～12。
优选地，步骤S1所述水为超纯水。
优选地，步骤S1所述杨木为将杨木风干粉碎后得到；本发明所述杨木和杨木预处理残渣都以绝干量计。
优选地，所述缓冲溶液为乙酸-乙酸钠缓冲溶液。
在其中一些优选实施例中，所述表面活性剂包括乳清蛋白、木质素磺酸钙、Tween80、PEG8000、Triton X-100中的一种或几种，见实施例1～5。
当所述金属氯化物为AlCl3时，所述表面活性剂最优选为PEG 8000，见实施例1；当所述金属氯化物为CrCl3时，所述表面活性剂最优选为木质素磺酸钙，见实施例6。
在其中一些优选实施例中，步骤S2所述酶解的温度为40～55℃，转速为100～250rpm，见实施例1～12。
最优选地，步骤S2所述酶解的温度为50℃，转速为150rpm，见实施例1。
在其中一些优选实施例中，步骤S1所述分离为采用真空抽滤的方法。
在其中一些优选实施例中，步骤S1所述反应为在反应釜中进行反应。
此外，本发明还请求保护上述方法在杨木酶解生产葡萄糖方面的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的杨木酶解方法，采用特定的金属氯化物对杨木在特定的条件下进行预处理，再对预处理后的残渣加入纤维素酶和表面活性剂进行酶解，通过添加表面活性剂辅助金属氯化物预处理提高杨木酶解效率和葡萄糖得率，减少酶用量，缩短了酶解时间，在酶用量为17.5～20FPU/g杨木预处理残渣下，酶解24h的葡萄糖得率可高达86.94％，有效提升经济效益。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
实施例中所用杨木取自木材厂，经风干粉碎得到，其组分含量为纤维素45.56％，半纤维素14.98％，木素22.86％。
纤维素酶(赛力二代)购自诺维信(中国)生物技术有限公司。
酶解液中葡萄糖含量用高效液相法分析，其得率的计算方法如下：
Figure BDA0003101365560000031
式中Y表示酶解液中葡萄糖得率(％)；C表示酶解液中葡萄糖浓度(g/L)；V表示酶解液体积(L)；M表示杨木原料中纤维素的质量(g)。
实施例1 一种提高杨木酶解效率的方法
S1.杨木预处理：将12g(绝干量)杨木和0.80g AlCl3加入120mL超纯水，于反应釜中在180℃、300rpm转速下反应20min，加去离子水洗涤至中性，采用真空抽滤得到杨木预处理残渣；
S2.酶解：取2g杨木预处理残渣(绝干量)，加入100mL pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液、40FPU纤维素酶(赛力二代)以及0.3g表面活性剂PEG 8000，在50℃，转速150rpm条件下酶解。
实施例2 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例1的区别在于，将表面活性剂换成0.8g乳清蛋白，加入100mL pH＝4.5的乙酸-乙酸钠缓冲溶液。
实施例3 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例1的区别在于，将表面活性剂换成0.2g木质素磺酸钙，加入100mL pH＝5的乙酸-乙酸钠缓冲溶液。
实施例4 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例1的区别在于，将表面活性剂换成Tween 80，预处理为在200rpm转速下反应30min。
实施例5 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例1的区别在于，将表面活性剂换成Triton X-100，预处理为在300rpm转速下反应10min。
实施例6 一种提高杨木酶解效率的方法
S1.杨木预处理：将12g(绝干量)杨木和0.95g CrCl3加入120mL超纯水，于反应釜中在160℃、300rpm转速下反应20min，加去离子水洗涤至中性，采用真空抽滤得到杨木预处理残渣；
S2.酶解：取2g杨木预处理残渣(绝干量)，加入100mL pH＝4.8的乙酸-乙酸钠缓冲溶液、40FPU纤维素酶(赛力二代)以及0.3g表面活性剂木质素磺酸钙，在50℃，转速150rpm条件下酶解。
实施例7 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例6的区别在于，将步骤S2中表面活性剂换成乳清蛋白；在40℃，转速250rpm酶解。
实施例8 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例6的区别在于，将步骤S2中表面活性剂换成PEG 8000；在55℃，转速为100rpm下酶解。
实施例9 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例6的区别在于，将表面活性剂换成Tween 80。
实施例10 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例6的区别在于，将表面活性剂换成Triton X-100。
实施例11 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例1的区别在于，步骤S2加入0.4g表面活性剂PEG 8000。
实施例12 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例1的区别在于，步骤S2加入35FPU纤维素酶(赛力二代)。
对比例1
同实施例6的方法，区别在于，金属氯化物替换为0.82g的ZnCl2，S2中不添加表面活性剂。
对比例2
同实施例6的方法，区别在于，金属氯化物替换为0.57g的MgCl2，S2中不添加表面活性剂。
对比例3
同实施例6的方法，区别在于，金属氯化物替换为0.76g的MnCl2，S2中不添加表面活性剂。
对比例4
同实施例6的方法，区别在于，金属氯化物替换为0.97g的FeCl3，S2中不添加表面活性剂。
对比例5
同实施例6的方法，区别在于，金属氯化物替换为0.81g的CuCl2，S2中不添加表面活性剂。
对比例6
同实施例6的方法，区别在于，金属氯化物替换为0.80g的AlCl3，S2中不添加表面活性剂。
对比例7
同实施例6的方法，区别在于，S2中不添加表面活性剂。
对比例8
同实施例1的方法，区别在于，S2中不添加表面活性剂。
对比例9
同实施例1的方法，区别在于，加入0.40g AlCl3加入120mL超纯水，于反应釜中在160℃，S2中不添加表面活性剂。
对比例10
同实施例1的方法，区别在于，加入0.56g AlCl3加入120mL超纯水，于反应釜中在160℃，S2中不添加表面活性剂。
对比例11
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1反应温度为150℃，S2中不添加表面活性剂。
对比例12
同实施例1的方法，区别在于，步骤S1反应温度为190℃，S2中不添加表面活性剂。
对比例13 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例1的区别在于，步骤S1反应温度为170℃，S2中不添加任何表面活性剂。
对比例14 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例6的区别在于，步骤S1反应温度为170℃，S2中不添加任何表面活性剂。
对比例15 一种提高杨木酶解效率的方法
与实施例6的区别在于，步骤S1反应温度为180℃，S2中不添加任何表面活性剂。
实验例
实施例1-12和对比例1-15在酶解24小时和72小时时，分别取1mL酶解液并进行10min灭活处理，用高效液相测定酶解液中葡萄糖浓度，分别计算24小时和72小时葡萄糖得率。结果如表1所示：
表1
Figure BDA0003101365560000061
Figure BDA0003101365560000071
通过实施例1～5与对比例8对比可知，添加了表面活性剂的AlCl3预处理葡萄糖得率更高，五种表面活性剂都对葡萄糖的得率有促进作用，其中PEG 8000对AlCl3预处理的提升效果最好。添加PEG 8000的AlCl3预处理24h葡萄糖得率达到86.94％，72h葡萄糖得率达到88.45％。
通过实施例1与对比例8对比可知，添加PEG 8000后，AlCl3预处理后24h的得率86.94％就超过不添加表面活性剂时72h的得率81.98％，大大缩短酶解时间，并提高酶解得率。
通过实施例6～10与对比例7对比可知，添加了表面活性剂的CrCl3预处理葡萄糖得率更高，且五种表面活性剂都对葡萄糖的得率有促进作用。其中木质素磺酸钙对CrCl3预处理的提升效果最好。添加木质素磺酸钙的CrCl3预处理24h葡萄糖得率达到69.69％，72h葡萄糖得率达到85.53％。
通过实施例6与对比例7对比可知，添加木质素磺酸钙后，24h的得率69.69％就可以达到不添加表面活性剂时72h的得率65.94％，72h最高葡萄糖得率达到85.53％，缩短了酶解时间，提高酶解得率。
通过对比例1～7的对比可知，在160℃条件下不同金属氯化物对杨木预处理的效果不同，其中AlCl3和CrCl3效果相对较好。
通过对比例6与对比例9～10的对比可知，不同离子浓度对AlCl3预处理有影响，其中降低离子浓度，葡萄糖得率会降低。
通过对比例8，对比例11～13的对比可知，不同温度对AlCl3预处理有较大影响，其中过高或过低温度下葡萄糖得率较差，在180℃条件下葡萄糖得率达到最高。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高杨木酶解生产葡萄糖的速率的方法，其特征在于，所述方法为在杨木酶解生产葡萄糖过程中添加表面活性剂，其包含以下步骤：
S1.杨木预处理：取杨木按固液比为1：8～15与水混合，加入0.03～0.05mol/L水的量加入金属氯化物，在160℃～180℃下进行预处理反应，反应产物洗涤至中性，分离得到杨木预处理残渣；
S2.酶解：取杨木预处理残渣，加入pH＝4.5～5.0的缓冲溶液、纤维素酶以及表面活性剂，进行酶解；
其中，所述金属氯化物为AlCl3或CrCl3；步骤S2所述杨木预处理残渣、缓冲溶液、表面活性剂的质量比为1g：50mL：0.1～0.4g；所述纤维素酶的添加量为17.5～20FPU/g杨木预处理残渣。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1所述预处理反应为在200～300rpm转速下反应10～30min。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述缓冲溶液为乙酸-乙酸钠缓冲溶液。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述表面活性剂包括乳清蛋白、木质素磺酸钙、Tween 80、PEG 8000、Triton X-100中的任一种。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，当所述金属氯化物为AlCl3时，所述表面活性剂为PEG 8000；当所述金属氯化物为CrCl3时，所述表面活性剂为木质素磺酸钙。
6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S2所述酶解的温度为40～55℃，转速为100～250rpm。
7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1所述分离为采用真空抽滤的方法。
8.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述杨木为将杨木风干粉碎后得到。
9.根据权利要求1所述方法，其特征在于，步骤S1所述反应为在反应釜中进行反应。
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